کریستال زمان چیست؟ و چگونه محققان گوگل از کامپیوترهای کوانتومی برای ساختن آن‌ها استفاده می‌کنند؟

شکل ۱. تصویر هنرمندی از یک کریستال زمان.منتشر شده در spectrum به تاریخ ۲۰ دسامبر ۲۰۲۱لینک منبع: What’s a Time Crystal? بلور زمان برای اولین بار در یک دهه یا چند دهه پیش تصور شد، نوع جدیدی از ماده است که شباهت عجیبی به یک ماشین حرکت دائمی دارد. قطعات آن می‌توانند به صورت تئوری در یک چرخه تکرار شونده بدون مصرف انرژی برای ابدیت حرکت کنند، مانند ساعتی که برای همیشه بدون هیچ باتری کار می‌کند.دانشمندان سال‌ها است که برای خلق این فاز جدید از ماده تلاش می‌کنند. در حال حاضر محققان در Google Quantum AI و همکارانش نشان می‌دهند که آن‌ها با استفاده از سخت‌افزار محاسبات کوانتومیGoogle's Sycamore ، کریستال‌های زمانی ایجاد کرده‌اند.در حالی که کامپیوترهای کلاسیک، ترانزیستورها را به صورت روشن یا خاموش تغییر می‌دهند تا داده‌ها را به صورت صفر و یک نشان دهند، کامپیوترهای کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که به دلیل ماهیت مکانیک کوانتومی، می‌توانند در حالتی از برهم نهی وجود داشته باشند که در آن هر دو به صورت همزمان ۱ و ۰ هستند. با اتصال کیوبیت‌ها به یکدیگر از طریق یک اثر کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی، یک کامپیوتر کوانتومی ۳۰۰ کیوبیت از لحاظ نظری می‌تواند محاسبات بیشتری را در یک لحظه نسبت به اتم موجود در جهان قابل‌مشاهده انجام دهد. در سال ۲۰۱۹، گوگل استدلال کرد که از سیکامور برای نمایش «تقدم کوانتومی» استفاده کرده‌است، یافتن پاسخی برای مشکلاتی که هیچ کامپیوتر کلاسیکی هرگز نمی‌تواند آن‌ها را حل کند.در مطالعه جدید، محققان از یک سیستم ۲۰ کیوبیت نه برای محاسبه، بلکه برای شناخت کریستال‌های زمان استفاده کردند. برای کسب اطلاعات بیشتر، با دانشمند تحقیقاتی کارکنان گوگل، Kostyantyn Kechedzhi و دانشمند تحقیقات ارشد گوگل Xiao Mi صحبت کردیم، که بیشتر تحقیقات را به ترتیب در جنبه های نظری و تجربی انجام دادند. این مکالمه برای وضوح بیشتر ویرایش شده‌است.کریستال زمانی چیست؟آقای Kechedzhi: یک کریستال سیستمی از بسیاری از اتم‌ها است که به دلیل تعاملات متقابل خود را به یک الگوی متناوب در فضا سازماندهی می‌کنند. یک کریستال زمانی یک سیستم کوانتومی از ذرات است که خود را به صورت یک الگوی متناوب حرکت -متناوبا در زمان به جای فضا- سازماندهی می‌کند که تا ابد ادامه دارد.طیف: شما می‌توانید کریستال‌های زمان را در طبیعت با چه چیزی مقایسه کنید؟آقای Kechedzhi: حرکت دوره‌ای پایدار در طبیعت بسیار آشنا است. ساده‌ترین مثال، سیستمی از دو جسم حجیم است که یکدیگر را به دلیل جاذبه جذب می‌کنند- دو جسم در اطراف مرکز جرم به دنبال مدارهای شدیدا دوره‌ای حرکت می‌کنند. در نگاه اول، این ممکن است نمونه‌ای از یک کریستال زمانی به نظر برسد. با این حال، تازگی کلیدی یک کریستال زمانی، حرکت دوره‌ای یک سیستم از بسیاری از اشیا است که با یکدیگر تعامل دارند.یک سیستم از بسیاری از اشیای در حال تعامل که یک رفتار کاملا متفاوت را در مقایسه با تنها دو شی بزرگ که دور یکدیگر می‌چرخند نشان می‌دهد -به جای الگوهای تکراری، حرکت به طور مداوم تغییر می‌کند. به عنوان مثال، در منظومه شمسی، سیارات مسیری را دنبال می‌کنند که تقریبا دوره‌ای است، اما رفتار واقعی سیارات بی‌نظم است، به این معنی که یک انحراف کوچک یک سیاره از مسیر امروز آن منجر به یک مسیر کاملا تغییر شکل یافته در طول زمان خواهد شد، البته در طول میلیاردها سال.قانون دوم ترمودینامیک فرض می‌کند که سیستم‌ بسیاری از اشیا در حال تعامل به سمت بی‌نظمی بیشتر تمایل دارند، که در تضاد با حرکات شدیدا دوره‌ای یک کریستال زمانی به نظر می‌رسد. با این وجود، یک سیستم از اشیا کوانتومی که با هم تعامل دارند، می‌تواند حرکت دوره‌ای را بدون نقض قانون دوم ترمودینامیک، به دلیل یک پدیده کوانتومی که اساسا محلی‌سازی بسیاری از اجسام نامیده می‌شود، نشان دهد.یک کریستال زمانی یک سیستم کوانتومی از ذرات است که خود را به صورت یک الگوی متناوب حرکت -متناوبا در زمان به جای فضا- سازماندهی می‌کند که تا ابد ادامه دارد.طیف: بنابراین در کار جدیدتان، شما یک کریستال زمان محلی چند جسمی را به صورت دوره‌ای ایجاد می‌کنید. این یک کریستال زمانی متشکل از بخش‌های زیادی است که فعالیت آن‌ها توسط یک سری چرخه‌ای پالس خارجی اعمال می‌شود. و با توجه به محلی‌سازی، منظور شما این است که قوانین فیزیکی در یک منطقه خاص از بلور زمان عمل می‌کنند تا آن را پایدار نگه دارند و از اتلاف انرژی جلوگیری کنند؟آقای Kechedzhi: بله. ویژگی کلیدی یک سیستم کوانتومی موضعی در بسیاری از اشیا این است که یک پالس یا نیروی خارجی به اندازه کافی ضعیف اعمال‌شده به هر یک از اشیا بر همسایگان آن تاثیر می‌گذارد، اما در کل سیستم احساس نخواهد شد. در این حالت، پاسخ سیستم محلی شده‌است. در مقابل، در یک سیستم آشفته، یک اختلال کوچک در کل سیستم احساس می‌شود. پدیده محلی‌سازی از جذب انرژی از درایو خارجی جلوگیری می‌کند.طیف: کریستال‌های زمان شما چقدر با ماشین‌های حرکت مداوم قابل‌مقایسه هستند؟آقای Kechedzhi: کریستال‌های زمانی مشاهده‌شده در آزمایش ما هیچ انرژی خالصی را از پالس‌های به کار رفته برای تحریک رفتار خود جذب نمی‌کنند. شاید به همین دلیل است که آن‌ها اغلب با ماشین‌های حرکت مداوم مقایسه می‌شوند.با این حال، انتظار می‌رود که ماشین‌های حرکت دائمی، کاری بدون منبع انرژی تولید کنند که قوانین ترمودینامیک را نقض کند. در مقابل حرکت یک کریستال زمانی کار را بدون منبع انرژی تولید نمی‌کند و بنابراین قوانین فیزیکی را نقض نمی‌کند.طیف: آیا کریستال‌های زمان شما در طول زمان تجزیه می‌شوند؟آقای Kechedzhi: پردازنده ما ۱۰۰٪ از محیط جدا نیست، و این اتصال ضعیف با محیط، طول عمر «خارجی» متناهی کریستال زمان را معرفی می‌کند. به عبارت دیگر، بعد از یک زمان به اندازه کافی طولانی، نظم از دست می‌رود و الگوی دوره‌ای دیگر تکرار نمی‌شود.طیف: کریستال‌های زمان ممکن است چه برنامه‌هایی داشته باشند؟آقای Kechedzhi: یک کریستال زمانی مانند فرومغناطیس یا ابررسانایی مثالی از شکستن خود به خودی تقارن یا نظم خود به خودی است. به عنوان مثال، یک فرومغناطیس اساسا سیستمی از مغناطیس‌های بسیار کوچک‌تر است که قطب‌های مغناطیسی آن‌ها همگی در یک جهت قرار می‌گیرند و در این حالت مرتب می‌شوند. گفته می‌شود که تقارن در چنین حالتی «خود به خود» شکسته می‌شود، زیرا در ماده نرمال، همه‌ی قطب‌ها در جهات تصادفی اشاره می‌کنند. نمونه‌های پایدار شکست خود به خودی تقارن، همانطور که در فرومغناطیس یا از بین رفتن مقاومت الکتریکی یک ابررسانا دیده می‌شود، اغلب ارزش تکنولوژیکی قابل‌توجهی دارند.شکست تقارن خود به خودی با تعادل در ارتباط است. به عنوان مثال، به این فکر کنید که آب مایع وقتی که به دمای پایین پایدار آورده می‌شود، به یک کریستال منجمد می‌شود. ویژگی قابل‌توجه کریستال زمانی که مشاهده کردیم، نظم خود به خود آن علی‌رغم خارج شدن از تعادل است. این مشاهده راه را برای شناسایی دیگر حالت‌های خارج از تعادل ماده کوانتومی با انواع جدیدی از نظم باز می‌کند.طیف: ثابت شده‌است که تحقیق در مورد کریستال‌های زمان دشوار است و چرا؟آقای Kechedzhi: چالش این است که جداسازی ماده کوانتومی از محیط آن هرگز کامل نیست.طیف: چرا از یک کامپیوتر کوانتومی برای ایجاد کریستال‌های زمان استفاده می‌کنید؟آقای Xiao MI: کامپیوترهای کوانتومی پلتفرمی انتخابی برای تحقق بخشیدن به کریستال‌های زمان هستند زیرا آن‌ها دروازه‌های منطق کوانتومی را به دقت کالیبره کرده‌اند.طیف: یک گیت منطقی کوانتومی نسخه محاسباتی کوانتومی گیت منطقی است که کامپیوترهای معمولی برای انجام محاسبات از آن استفاده می‌کنند؟آقای Xiao MI: بله. دروازه‌های منطقی کوانتوم، فعل و انفعالات بسیاری از اجسام را که برای کریستال‌های زمانی لازم هستند تا با دقت بسیار بالایی پیاده‌سازی شوند، ممکن می‌سازند.مطالعات قبلی بر روی کریستال‌های زمانی همگی بر روی به اصطلاح شبیه سازهای کوانتومی انجام شده‌اند. این پلت‌فرم‌ها فاقد دقت کامپیوترهای کوانتومی هستند. در نتیجه، بسیاری از این آزمایش‌ها بعدا به دلیل تعاملات ناخواسته دچار نقص شدند.طیف: در مطالعه جدید خود چه چیزی را نشان دادید؟آقای Xiao MI: ما مدارهای کوانتومی را مهندسی کرده‌ایم که دارای انواع تعاملاتی هستند که از لحاظ نظری انتظار می‌رود به یک کریستال زمانی منجر شوند. سپس داده‌هایی را از این مدارهای کوانتومی جمع‌آوری کردیم و از تکنیک‌های مختلفی برای تایید این موضوع استفاده کردیم که داده‌های ما با رفتار بلوری-زمانی سازگار هستند. این شامل سه چیز است:هر گونه فروپاشی یا «ذوب» نظم زمانی-کریستالی تنها ناشی از عدم انسجام خارجی است، نه پویایی درونی سیستم ما.امضای یک کریستال زمانی بدون در نظر گرفتن حالت اولیه سیستم وجود داشت.ما می‌توانیم مرز فاز بلوری زمان را تعیین کنیم -یعنی جایی که ذوب می‌شود.دروازه‌های منطقی کوانتوم، فعل و انفعالات بسیاری از اجسام را که برای کریستال‌های زمانی لازم هستند تا با دقت بسیار بالایی پیاده‌سازی شوند، ممکن می‌سازند.طیف: شما شخصا در مورد این نتایج چه چیزی را جالب توجه می‌دانید؟آقای Xiao MI: درک رفتار ذرات برهم‌کنش‌کننده در نزدیکی نقطه بحرانی گذار فاز -برای مثال، دمای ذوب یخ به آب- یک مساله قدیمی در فیزیک است و هنوز هم پازل‌های حل‌نشده برای بسیاری از سیستم‌های کوانتومی را دارد. ما قادر به توصیف نقطه گذار فاز بین حالت‌های کریستال زمان و بی‌نظمی کوانتومی بودیم. این یک مسیر بسیار امیدوارکننده برای کاربردهای اولیه پردازنده‌های کوانتومی به عنوان ابزاری برای تحقیقات علمی است، که در آن سیستم‌های با اندازه کوچک از ده‌ها یا صدها کیوبیت می‌توانند اطلاعات تجربی جدیدی را در مورد ماهیت گذارهای فازی فراهم کنند.طیف: چگونه کریستال‌های زمانی می‌توانند به کامپیوترهای کوانتومی بهتری منجر شوند؟آقای Xiao MI: داشتن یک شی مانند کریستال زمان که در برابر تداخل تجربی پایدار است، ممکن است به طراحی حالت‌های کوانتومی با عمر طولانی کمک کند، که این یک وظیفه حیاتی برای بهبود آتی پردازنده‌های کوانتومی است.طیف: کریستال زمان دیگری با استفاده از کیوبیت توسط محققان دانشگاه صنعتی دلفت در هلند ایجاد شد. شما چگونه کارتان را از کار آن‌ها متمایز می‌کنید؟آقای Kechedzhi: آزمایش Delft برخی از پروتکل‌های مشخص‌شده در کار نظری قبلی ما را اجرا کرد، که کریستال‌های زمان موضعی با بدنه‌های متعدد را از کریستال‌های به اصطلاح پیش گرمایی مشاهده شده در سال‌های اخیر متمایز می‌کند. در حالی که کریستال‌های زمان پیش-گرمایی به وسیله طول عمرهای ذاتی محدود مشخص می‌شوند، کریستال‌های زمان موضعی بسیاری از اجسام به وسیله یک واگرایی مشخص می‌شوند-یعنی طول عمر ذاتی بی‌نهایت طولانی.انعطاف‌پذیری استثنایی پردازنده ما به ما اجازه داد تا نشان دهیم که دینامیک کریستال زمان بر روی طیف وسیعی از پارامترهای سیستم باقی می‌ماند. یکی از نتایج آن مشاهده گذار فاز بین کریستال زمان و رفتار آشفته است. حضور گذار فاز نشان می‌دهد که کریستال زمان یک حالت متمایز از ماده از حالت چندجسمی بی‌نظم است که در همه جا حاضر است، از جمله کریستال‌های زمان پیش گرمایی.اساسا، پروتکلی که ما در مطالعه جدیدمان توصیف می‌کنیم مقیاس پذیر است-به راحتی می‌تواند به یک پردازنده کوانتومی بزرگ‌تر اعمال شود. این نتیجه بیشتر، تحلیل نظری است که به طور قابل‌توجهی کار قبلی ما را بهبود می‌بخشد که آزمایش Delft بر آن اساس بود. در آینده، می‌توانم آزمایش خود را در سیستم‌های بزرگ‌تر و بزرگ‌تر تکرار کنم.طیف: فکر می‌کنید تحقیق شما ممکن است از اینجا به کجا برود؟آقای Kechedzhi: یکی از اهداف ما توسعه پردازنده ما به یک ابزار علمی برای فیزیک و شیمی است. چالش اصلی کاهش خطا در دستگاه است. این کلیدی برای کاربردهای آینده پردازنده‌های کوانتومی و تحقق محاسبات کوانتومی تلورانس خطا است. باید از طریق بهبود در سخت‌افزار، استراتژی‌های کاهش خطای الگوریتمی و درک اساسی از نقش نویز در دینامیک کوانتومی چند جسمی، به آن پرداخته شود.این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات کوانتومی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.